infos.ro

Fizicienii confirmă observațional pentru prima dată teorema găurii negre a lui Hawking | Știri MIT

Jennifer Chu | MIT News Office,news.mit.edu

Există anumite reguli pe care chiar și cele mai extreme obiecte din univers trebuie să le respecte. O lege centrală pentru găurile negre prezice că zona orizontului lor de evenimente – granița dincolo de care nimic nu poate scăpa vreodată – nu ar trebui să se micșoreze niciodată. Această lege este teorema ariei lui Hawking, numită după fizicianul Stephen Hawking, care a derivat teorema în 1971.

Cincizeci de ani mai târziu, fizicienii de la MIT și din alte părți au confirmat acum teorema ariei lui Hawking pentru prima dată, folosind observații ale undelor gravitaționale. Rezultatele lor apar astăzi în Scrisori de revizuire fizică.

În cadrul studiului, cercetătorii aruncă o privire mai atentă la GW150914, primul semnal de undă gravitațională detectat de Observatorul cu undă gravitațională cu interferometru cu laser (LIGO), în 2015. Semnalul a fost rezultatul a două găuri negre inspiratoare care au generat o nouă gaură neagră. , împreună cu o cantitate imensă de energie care s-a ondulat în spațiu-timp sub formă de unde gravitaționale.

Dacă teorema ariei lui Hawking este valabilă, atunci aria orizontului noii găuri negre nu ar trebui să fie mai mică decât aria totală a orizontului găurilor negre părinte. În noul studiu, fizicienii au reanalizat semnalul de la GW150914 înainte și după coliziunea cosmică și au descoperit că, într-adevăr, aria totală a orizontului de evenimente nu a scăzut după fuziune – un rezultat pe care îl raportează cu o încredere de 95%.

Descoperirile lor marchează prima confirmare observațională directă a teoremei ariei lui Hawking, care a fost dovedită matematic, dar niciodată observată în natură până acum. Echipa plănuiește să testeze viitoarele semnale ale undelor gravitaționale pentru a vedea dacă ar putea confirma în continuare teorema lui Hawking sau ar putea fi un semn al unei fizice noi, care îndoaie legea.

„Este posibil să existe o grădină zoologică cu diferite obiecte compacte și, în timp ce unele dintre ele sunt găurile negre care urmează legile lui Einstein și Hawking, altele pot fi fiare ușor diferite”, spune autorul principal Maximiliano Isi, cercetător postdoctoral NASA Einstein în cadrul MIT. Institutul Kavli pentru Astrofizică și Cercetări Spațiale. „Deci, nu e ca și cum ai face acest test o dată și s-a terminat. Fă asta o dată și este începutul.”

Co-autorii lui Isi ai lucrării sunt Will Farr de la Universitatea Stony Brook și Centrul pentru Astrofizică Computațională al Institutului Flatiron, Matthew Giesler de la Universitatea Cornell, Mark Scheel de la Caltech și Saul Teukolsky de la Universitatea Cornell și Caltech.

O epocă a intuițiilor

În 1971, Stephen Hawking a propus teorema ariei, care a declanșat o serie de perspective fundamentale despre mecanica găurilor negre. Teorema prezice că aria totală a orizontului de evenimente al unei găuri negre – și, de altfel, toate găurile negre din univers – nu ar trebui să scadă niciodată. Afirmația a fost o paralelă curioasă a celei de-a doua legi a termodinamicii, care afirmă că entropia sau gradul de dezordine în interiorul unui obiect nu ar trebui să scadă niciodată.

Asemănarea dintre cele două teorii a sugerat că găurile negre s-ar putea comporta ca obiecte termice, emițătoare de căldură – o propunere confuză, deoarece găurile negre, prin însăși natura lor, se credea că nu lasă niciodată energia să scape sau să radieze. În cele din urmă, Hawking a pătrat cele două idei în 1974, arătând că găurile negre ar putea avea entropie și ar putea emite radiații pe intervale de timp foarte lungi dacă s-ar lua în considerare efectele lor cuantice. Acest fenomen a fost numit „radiația Hawking” și rămâne una dintre cele mai fundamentale revelații despre găurile negre.

„Totul a început odată cu realizarea lui Hawking că suprafața totală a orizontului din găurile negre nu poate scădea niciodată”, spune Isi. „Legea zonei încapsulează o epocă de aur în anii ’70, în care au fost produse toate aceste perspective.”

Hawking și alții au arătat de atunci că teorema ariei funcționează matematic, dar nu a existat nicio modalitate de a o verifica împotriva naturii până la LIGO. prima detecție a undelor gravitaționale.

Hawking, la auzul rezultatului, l-a contactat rapid pe co-fondatorul LIGO Kip Thorne, profesorul Feynman de fizică teoretică la Caltech. Întrebarea lui: ar putea detectarea să confirme teorema ariei?

La acea vreme, cercetătorii nu aveau capacitatea de a alege informațiile necesare din semnal, înainte și după fuziune, pentru a determina dacă zona finală a orizontului nu a scăzut, așa cum ar presupune teorema lui Hawking. Abia după câțiva ani, și dezvoltarea unei tehnici de către Isi și colegii săi, a devenit fezabilă testarea legii zonei.

Inainte si dupa

În 2019, Isi și colegii săi au dezvoltat o tehnică pentru extrage reverberațiile imediat după vârful lui GW150914 – momentul în care cele două găuri negre părinte s-au ciocnit pentru a forma o nouă gaură neagră. Echipa a folosit tehnica pentru a selecta frecvențe specifice, sau tonuri ale consecințelor, altfel zgomotoase, pe care le-ar putea folosi pentru a calcula masa și spinul găurii negre finale.

Masa și rotația unei găuri negre sunt direct legate de zona orizontului ei de evenimente, iar Thorne, amintindu-și întrebarea lui Hawking, le-a abordat cu o continuare: ar putea folosi aceeași tehnică pentru a compara semnalul înainte și după fuziune și să confirme? teorema ariei?

Cercetătorii au acceptat provocarea și au împărțit din nou semnalul GW150914 la apogeu. Ei au dezvoltat un model pentru a analiza semnalul înainte de vârf, corespunzător celor două găuri negre inspiratoare și pentru a identifica masa și rotația ambelor găuri negre înainte ca acestea să se îmbine. Din aceste estimări, ei și-au calculat suprafețele totale ale orizontului – o estimare aproximativ egală cu aproximativ 235.000 de kilometri pătrați, sau de aproximativ nouă ori suprafața Massachusetts.

Apoi au folosit tehnica lor anterioară pentru a extrage „ringdown” sau reverberațiile găurii negre nou formate, din care i-au calculat masa și spinul și, în cele din urmă, aria sa orizontului, despre care au descoperit că era echivalentă cu 367.000 de kilometri pătrați (de aproximativ 13 ori). zona Bay State).

„Datele arată cu o încredere copleșitoare că zona orizontului a crescut după fuziune și că legea zonei este satisfăcută cu o probabilitate foarte mare”, spune Isi. „A fost o ușurare faptul că rezultatul nostru este de acord cu paradigma la care ne așteptăm și confirmă înțelegerea noastră cu privire la aceste fuziuni complicate ale găurilor negre.”

Echipa intenționează să testeze în continuare teorema ariei lui Hawking și alte teorii vechi ale mecanicii găurilor negre, folosind date de la LIGO și Virgo, omologul său din Italia.

„Este încurajator faptul că putem gândi în moduri noi și creative despre datele undelor gravitaționale și să ajungem la întrebări pe care credeam că nu le putem face înainte”, spune Isi. „Putem continua să dezvăluim informații care se referă direct la stâlpii a ceea ce credem că înțelegem. Într-o zi, aceste date ar putea dezvălui ceva la care nu ne așteptam.”

Această cercetare a fost susținută, parțial, de NASA, Simons Foundation și National Science Foundation.

Sursa articol

You might also like